新機器人概念使用響應材料在水中游泳

加州理工學院和蘇黎世聯(lián)邦理工學院的工程師開發(fā)出了能夠自行推進的機器人，無需使用任何電機，伺服系統(tǒng)或電源。相反，這些首創(chuàng)的設備在水中劃水，因為它們由溫度變化而變形。

這項工作模糊了材料和機器人之間的界限。在自行式設備中，材料本身使機器起作用。“我們的例子表明，我們可以使用結構材料來響應環(huán)境因素，控制和推動機器人，”加州理工學院工程與應用科學系機械工程和應用物理學教授Daraio說道，并且是一篇論文的通訊作者推出5月15 日出現(xiàn)在美國國家科學院院刊上的機器人。

新推進系統(tǒng)依賴于柔性聚合物條帶，在冷卻時卷曲并在溫暖時伸展。聚合物被定位以激活機器人體內的開關，該開關又連接到槳，其像劃艇一樣向前排。

該開關由雙穩(wěn)態(tài)元件制成，該雙穩(wěn)態(tài)元件是可以在兩種不同的幾何形狀中穩(wěn)定的部件。在這種情況下，它由彈性材料條構成，當被聚合物推動時，彈性材料從一個位置卡扣到另一個位置。

當冷機器人被放置在溫水中時，聚合物伸展開來，激活開關，由此產生的能量突然釋放使機器人向前移動。聚合物條帶也可以“調整”以在不同時間給出特定的響應：也就是說，較厚的條帶需要更長的時間來加熱，拉伸并最終激活其槳葉而不是更薄的條帶。這種可調性使團隊能夠設計出能夠以不同速度轉動和移動的機器人。

該研究以加州理工學院航空航天教授Daraio和Dennis Kochmann先前的工作為基礎。他們使用雙穩(wěn)態(tài)元件鏈來傳輸信號并構建類似計算機的邏輯門。

在設計的最新版本中，Daraio的團隊和合作者能夠以這樣的方式連接聚合物元件和開關，使四輪機器人向前推進，從而減少一個小的有效載荷(在這種情況下，一個令牌，加上印有加州理工學院的密封件)，然后向后劃槳。

“將簡單的動作結合在一起，我們能夠將編程嵌入到材料中，以執(zhí)行一系列復雜的行為，”加州理工學院博士后學者Osama R. Bilal說，他是PNAS論文的共同第一作者。將來，可以添加更多功能和響應，例如使用對其他環(huán)境因素(如pH或鹽度)有反應的聚合物。研究人員表示，未來版本的機器人可能含有化學品泄漏，或者在較小規(guī)模上可能含有藥物。

目前，當雙穩(wěn)態(tài)元件咬合并釋放能量時，必須手動復位它們才能再次工作。接下來，該團隊計劃探索重新設計雙穩(wěn)態(tài)元件的方法，以便在水溫再次變化時自動重置 - 使得它們可能無限期地游泳，只要水溫不斷波動。

PNAS論文的標題是“利用雙穩(wěn)態(tài)機器人進行柔性無繩機器人的定向推進。”